APP下载

“中国巨型计算机之父”金怡濂:铸“神威”扬国威

2018-08-14

世纪人物 2018年8期
关键词:神威研制计算机

中国巨型计算机事业开拓者,

“神威”超级计算机总设计师,

有“中国巨型计算机之父”美誉,

中国前总理朱镕基称赞他是“做大事的人”

他,就是中国高性能计算机领域著名专家,金怡濂!

他推动并实现中国巨型计算机向大规模并行处理方向发展,使中国高性能计算机峰值运算速度从每秒十亿次跨越到每秒三千亿次以上。

2003年他成为第三届"国家最高科学技术奖"唯一获奖者,2010年5月国际永久编号"100434"这颗小行星以金怡濂的名字命名。

“革命加拼命”研制巨型机

1946年,世界上第一台全电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学问世。这标志人类迈向信息时代的第一步。新中国的领导人敏锐地预见到这一科技领域的广阔前景,立即将电子计算机列入重点发展的学科。1952年,在华罗庚先生的倡议下中国科学院成立了一个计算机小组;1956年,周恩来总理在12年中国科学技术远景规划中提出“四项紧急措施”,其中一项就是急速发展计算机技术。

金怡濂与计算机结缘,是在新中国成立后的1956年。当时,国家把计算机技术列为科学发展的重点学科之一。不久后,20个年轻人被选派赴苏联学习计算机研制,时年27岁、自清华大学电机系毕业后进入研究所工作的金怡濂幸运入选。

“当时,电子计算机刚问世10年。中国没多少人知道什么是计算机,国家急缺人才,与其说我选择了计算机,不如说计算机选择了我。”金怡濂回忆道,他除了听说过“计算机”这个名词外,其它一无所知,更无从预料计算机技术的发展将给全世界带来如此巨大而深刻的影响。但祖国的重托,足以激发他全部的热情,夜以继日地学习。

据他追忆:“我们当时住在莫斯科的南边——苏联科学院宿舍区,而研究所在北边。每天早晨,我们很早就起床,先倒两次公交车,再坐地铁,尔后又转乘公交,路上一般要花上一个半小时。我们在那里主要是做一些有关加法器方面的实验,回宿舍的时候就借些资料看一看,尽管已是很累,但我们常常学习到深夜,毕竟在国内当时还没开这门课。”他和同学们每天辗转奔波于位于莫斯科南北两端的宿舍和研究所之间,废寝忘食,心无旁骛,埋头钻研。由于忙,在莫斯科呆了一年半的金怡濂,居然从没听过《莫斯科郊外的晚上》《红莓花儿开》等风靡全苏联且唱红到中国的名曲。

1958年7月,金怡濂从莫斯科回到北京,随即就被派往中科院计算所,参与中国第一台大型计算机104机的研制。

104机,是以苏联的БЭСМ-Ⅱ机为蓝本研制,金怡濂在莫斯科时就已研究过苏方的图纸很多遍,所以,在原理和结构上问题不大。但时值国内“大跃进”时期,在“大干快上”的热潮中,质量往往不太受重视,所以,如何确保计算机的稳定性和可靠性,成了重点和难点。

当时的计算机体积都很庞大。世界上的第一台电子计算机“埃尼阿克”(ENIAC)占地170平方米,重达30吨,能在1秒内进行5000次加法和500次乘法运算。而104机的主机和电机组机房各占地200平方米,共有22個机柜,使用了4200个电子管、4000个晶体二极管,每秒能运算1万次。

金怡濂颇有感触地说:“计算机是个很特别的东西。算一个数,需要很多器件一起工作,若是在某个瞬间断一下,计算结果就会出大错。所以,工艺质量和设计质量一样至关重要。”

那段时间,除吃饭、睡觉和非参加不可的集体活动,金怡濂和同事们几乎所有的时间都泡在机房。除了研究设计,他们还花了大量时间,想了许多办法,排查机器的每一个工艺环节,以确保“一个焊点也不能出问题”。经过多轮调试,1959年国庆节期间,104机正式宣布完成,《人民日报》头版头条报道了这一喜讯。随后,它圆满完成了包括中国第一颗原子弹在内的许多重大课题的相关科学运算。

此时,金怡濂已离开104机研究小组,又陆续投入到四台大型计算机的研制工作。时值三年困难时期,金怡濂和同事们虽然吃不饱,但为了赶进度,白天黑夜连轴转,困了就到机房隔壁的库房睡一觉,醒了再回到机房接着干。

金怡濂主攻的运算控制,被称为计算机的大脑和心脏。他提出了一系列可行性建议和改进方案,攻克了“穿通进位链加法器”等课题,逐步成长为中国大型计算机研制领域的骨干力量,被破格提拔为研究室副主任。

1963年,金怡濂携家眷随单位迁往大西南。平静的生活没有持续太久,“文革”就开始了。在全国许多科研单位逐渐“停摆”时,金怡濂所在的研究所“基本还在前进”;他本人经组织鉴别,被划为“可以改造好的人”,虽被免去“副主任”的头衔,但仍可以继续从事科研,这让金怡濂感到自己实在幸运。

1969年,金怡濂作为主要技术负责人和总体组组长,主持国家重点工程九〇五乙机的研制。当时,国家的电子工业基础异常薄弱,金怡濂一方面与同事们下大力气帮助合作的元器件生产厂家提高质量,另一方面在国内首次提出“双机并行”的处理器系统结构,以双机并行提高机器的速度和稳定性,弥补元器件的可靠性不足。

双机并行,这在当时不少人看来是个极其大胆新颖的构想。但金怡濂说,这并非他异想天开,而是源自多年来坚持追踪国际新技术的心得。即使在鼓吹“知识无用”的年代,即使身在大西南信息闭塞的山区,他仍然想方设法获取最新的学术信息。每次到大城市开会或办事,他必定要去图书馆或资料室查阅学术资料。他说:“搞科研的人,不跟踪了解本专业的先进技术,无异于瞎子、聋子,长此以往,思维会迟钝,会失去想象力和创造力,失去创新的灵感和激情。”

山区的科研条件十分简陋,当时国家电子工业基础薄弱,大型机研制举步维艰:一些元器件由玩具厂生产;数以万计的组件,要靠钳子、螺丝刀、电烙铁,一个一个组装起来。由于地处偏僻,参考资料 也极其匮乏。为查询资料,金怡濂要跑上海、北京等地。为此,得先在崎岖的山路坐大卡车颠簸半天,然后挤上列车,在硬座车厢里度过两三个昼夜的旅途。查完资料,匆匆背上一大包同事们让他捎带的肥皂、牙膏、糖果回到大山里,继续他的研制工作。由于国外对技术的封锁,大型计算机全靠我国自主设计生产,金怡濂主要负责硬件部分的设计把关,每一张图纸都自行设计绘制,一台机器下来,图纸不下数万张,摞起来像个小山。尽管如此,凭着“革命加拼命”的精神,1976年,九〇五乙机宣布研制完成,运算速度达每秒350万次,开创了中国并行机研制的先河。

“科研条件固然重要,但起决定性的因素还是人。”金怡濂总结说。

花钱买不来高科技

1978年,中国迎来科学的春天。金怡濂代表九〇五乙机的全体参研人员、设计组和他个人,在第一次全国科学大会上捧回了三张奖状。两个月后,他又被派往美国和日本考察大型计算机。这次行程虽然收获不小,也让他们清醒地认识到了差距。

据金怡濂回忆,改革开放之初,国家百废待兴,急需更高性能的巨型机,迫不得已花巨资从国外进口了一台。然而,购机同时还须花钱“聘请”两位“洋监工”,由他们在控制室中监视机器的使用。并在双方签订的协议上明确规定:中方人员不得进入控制室;开机、关机须由外方负责操作;中方不得将机器派作他用等等,这让金怡濂大感屈辱,他由此深刻地认识到,高科技是花钱买不到的,必须发展中国自己的巨型机,否则只能受制于人。

“核心技术是花钱买不来的。”感受到切肤之痛的金怡濂下定决心,一定要研制出属于中国人自己的、不输给任何人的高性能计算机。邓小平同志也明确提出:“中国要搞四个现代化,不能没有巨型机。”

在中国科研人员废寝忘食的努力下,上世纪80年代,“银河”向量亿次机和九〇五工程亿次机两台运算速度达亿次级的巨型机相继成功研制。1991年,金怡濂所在的研究所又成功研制出速度达每秒10亿次级的中国第一台大规模并行处理计算机,逐渐缩小与美、日等国的差距。

那么,下一个目标,定在100亿,还是1000亿?各方争议不断。金怡濂是少数赞成直接研制1000亿次级巨型机的人之一。

他支持直接研制千亿次级绝非一时冲动,而是反复研究国外同行的成果近一年后得出的结论。“当我说出1000亿时,心中至少已有了七八成的把握,剩下两三成,也有一个初步判断,预计那些问题可以解决。”

“计算机发展太快,早一年是先进的,晚一年就落后了。”他还有另一层考虑,直接挑战千亿次级,将是一次在该领域迎头赶上美日等国的机遇,机不可失。

最终,新一代巨型机——“神威”的目标被确定为1000亿次级。当时已退居二线的金怡濂被邀请出山,担任总设计师。他提出以平面格栅网为基础的“分布共享存储器大规模并行结构”总体方案,同时提出网上多种集合操作以及无匹配高速信号传送等技术构想和解决方案,均获成功。这一成果实现了中国高性能计算机的历史性跨越,江泽民同志为该系统亲笔题名“神威”。

在“神威”的研制過程中,金怡濂提出了比从前任何一个项目都更为严苛的质量要求。他说:“我们的目标是,哪怕一个焊点、一枚螺丝钉,也要体现世界先进水平。在金怡濂的“高压”下,无论是在5厘米见方的器件上完美地焊接500多条腿的高难度工艺,还是在研制进程中临时决定更换新一代性能更高的芯片……各种大大小小起初看起来不可能完成的任务,最终都被一一实现。

1996年9月,“神威”研制完成。经测试,峰值运算速度达到每秒3120亿次,跨入国际领先行列。这意味,仅用4年时间,中国高性能计算机的水平就提高了300多倍,远超“摩尔定律”每四年提升一个数量级的速度。

国庆五十周年展“神威”

1999年秋,无论是国家领导人,抑或是普通老百姓,谁不盼望建国50周年大庆盛会这天的北京艳艳丽日、朗朗晴空?可是,“十一”前一天的下午,首都大雨倾盆,且一夜未停。亿万人都在关注天气预报,甚至有许多人在心中祈祷:“老天爷呀,‘十一露个笑脸吧!”

天公意愿谁先知?只有依靠“神威”。当时,“神威”的判断结论是:雨将在国庆早晨5时停,3个小时过后将云开雾散。在天安门广场盛况空前的国庆阅兵典礼现场,当太阳如期露出笑颜,受邀参加观礼的“神威”总设计师金怡濂也笑了……

现实与他们的预报完全吻合,巨大的压力顷刻化作满腔欣慰。此刻,作为“神威”的总设计师和国庆观礼代表的金怡濂,一颗高度紧张的心总算放松了,置身在天安门广场欢乐的海洋之中……国家气象中心利用“神威”计算机精确完成极为复杂的中尺度数值天气预报,在国庆50周年和澳门回归等重大活动的气象保障中发挥了关键作用。然而,金怡濂倾毕生精力为国家研制巨型计算机,并不仅仅是为了气象预报。他介绍,超级计算机通常是指当时性能最高、运算速度最快的一类计算机,是气象气候、石油物探、生命科学、航空航天、药物筛选和基础科学等领域不可缺少的高端计算工具,因此,中国未来的现代化建设不能没有巨型机。

此后,金怡濂带领他的团队再次向世界最先进水平发起冲击。这次,他们的目标更加明确——要在出机时达到世界第一。2001年底,“神威Ⅱ”研制完成,速度达到每秒13.1万亿次,其峰值速度和持续速度均超过了当时排名第一的高性能计算机;机器体积大为缩小,功耗也较低。因为对中国巨型计算机的发展做出重大贡献,金怡濂荣获2002年度国家最高科技奖。

当前,中国在高性能计算机领域已处于世界领先水平。2013年11月18日,国际TOP500组织公布最新全球超级计算机500强排行榜。中国的“天河二号”以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首。但从入榜的超级计算机数量上看,美国仍然优势明显,共有253台,中国以65台位列第二,日、英、法、德四国分列第三至六位。

金怡濂介绍说,目前,完全采用国产自主CPU设计的超级计算机“神威蓝光”速度已达到千万亿次级。但是,中国在基础研究、前瞻性研究、核心元器件及应用研究方面,与美、日等国相比,仍有相当差距。未来,预计到2020年前后,超级计算机的运算能力将突破每秒100亿亿次,全世界的同行都正在朝这个目标努力。

“没有最好,只有更好。”金怡濂说,计算机领域最大的特点就是“新”,不断创新,不断有新东西出现,这也是多年来他一直不断大胆重用年轻人的原因。他还提到:“现在的年轻人与我们这一代人不同,希望待遇高一点,工作跟自己的爱好结合更紧密一点。这种变化有其合理之处,但也有一些不好的地方。时代在发展,社会总会有变化,但是,搞科研,奉献精神还是不可少。

知人善任,注重培养年轻人

在许多人眼里,金怡濂是一个典型的知识分子、一位勤奋的科技工作者。他常趴在图纸上或泡在机房里,一待就是一整天。因一直忙于科研,他三十岁时仍然单身,后与研究所新来的女大学生陈敬擦出火花,还是得益于鬼灵精的助手帮忙“撮合”,终得以成就一段美满姻缘。

谈起他的业余爱好,他说过去打打篮球,现在就没精力再玩球了,至于看书一般很少看小说,看的多是专业书。“我的爱好比较少,没什么特殊的爱好。”

电视,金怡濂也很少看,难得同家人一块“消遣消遣”,但他笑言这时“控制器一般不在我手里,他们看什么我跟着看什么”。

这就是金怡濂的生活,外人看来是如此的单调乏味,毫无色彩。可是,他于巨型机的研制却乐在其中。他说:“我没有什么业余爱好,最大乐趣就是琢磨计算机。解决一个问题后的快乐,是无法用语言形容的。自己的三个孩子是如何长大的,记不太清楚,倒是那些巨型计算机的每一点进步,都在心里留下了深刻的印象。”

對大型计算机研究的每一点向前推进都能如数家珍,他的同事们说,那些机器就是被他百般呵护的孩子。多少年里,他带领项目组夜以继日地工作,精神抖擞、一丝不苟地指挥着研制工作的千头万绪。每天深夜回到家中,他总要在沙发上先躺上半个小时,才有力气和老伴说话。跟随金怡濂工作20多年的高工老赵清楚地记得,“神威”稳定性测试的那天,金怡濂坐在机房不说不笑,一声不吭,直到预定测试时间已过,机器一切指标正常,他才突然跳了起来,像个孩子似的大喊大叫。他忘情欢呼,这情绪极大感染了周围的人,以至听到在实验室里传出来的欢呼声,人们可品味出成果的含金量。

助手们亲切地称他“老爷子”,他同助手们之间的关系,真说得上“学为师长,情同父子”。年轻人说,我们敬重“老爷子”,是因为他不吃老本,从不停止向科学的未知领域进军,是与时俱进的专家;他常常会为某个问题和我们争得面红耳赤,鼓励我们把想法全部说出来,有时深更半夜还会把技术资料亲自送到小青年的家里。

谁的业务突出可以破格评定职称,金怡濂心里都有一本账,会亲自出面力争,所以“神威”集体里最年轻的高级工程师只有27岁;谁的妻子下岗了,金怡濂也会想办法帮助联系工作。当今IT业人才流动频繁,但在金怡濂的“神威”集体里,人才却相对稳定。可以说,参与研制“神威”的科研人员都容易在外企找到高薪的工作。可是年轻人愿意在这里工作,不是因为这里待遇高,而是这里能为年轻人提供尽情发挥才智的舞台。他们说:“在‘老爷子指导下从事巨型机研制,是一生的幸事。”

金怡濂常说,计算机是年轻的学科,也是年轻人的事业。他以博大的胸怀和广阔的视野,打破用人论资排辈的观念和做法,不拘一格,惟才是举。他委任的50个主管、副主管设计师平均年龄只有28岁,这在当时我国大型计算机研制工程中绝无仅有。他不论学历,用人所长。有一位年轻的课题主管,没有专业学历,但他刻苦钻研,富有实践经验。金怡濂任用他时,就有争议,特别是在第一次工艺技术试验失败后,金怡濂又顶住各方压力继续任用他,并且亲自找他谈话,给予鼓励、启发,激发出了他的创造力。最终他没有辜负期望,带领全组完成了这项重大改革。如今,这位主管已成为高级工程师,并走上了领导岗位。

金怡濂知人善任,使许多“丑小鸭”变成了“白天鹅”。他在研制国内领先水平巨型机的事业中,同时为国家培养出了一批优秀科技人才。当年的小字辈如今多已成才,其中还有几位成了院士,有的获得了中国青年科学家奖,有的获得国家科技进步奖、中国科协“求是”奖。为此,计算机界的一位专家说,金怡濂在人才培养上的贡献,不亚于为我国又研制了一台“神威”巨型机。

猜你喜欢

神威研制计算机
千分尺轴向窜动和径向摆动检定装置的研制
破解定值有妙法,极点极线显神威
中国计算机报202007、08合刊
简易光学显微镜的设计与研制
中国计算机报2019年48、49期合刊
中国古代的“计算机”
哈尔滨机场雷暴分析预报系统的研制及应用
一体式,趋便携雅兰仕AL-225